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LM5642開關(guān)控制器的原理及應(yīng)用設(shè)計

2021-03-09 18:11:05

AC/DC、DC/DC轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)系統(tǒng)電能轉(zhuǎn)換和傳送,其在系統(tǒng)中的角色相當(dāng)于人體心臟,一旦出現(xiàn)問題,系統(tǒng)就會停止工作。通訊產(chǎn)品電源需要高可靠性。小型、輕量和高效率的電源應(yīng)用于以電子計算機為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備中,是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源供電方式。
2LM5642器件簡介
圖1為LM5642器件引腳配置,LM5642開關(guān)控制器有兩種操作模式可供選擇,除可提供兩個電壓輸出外,也可利用雙相位模式提供負(fù)載電流比雙輸出大1倍的單電壓輸出;該器件能以200kHz的頻率工作,其內(nèi)含的兩個控制器可在180°反相時繼續(xù)工作;對于需利用該器件執(zhí)行單輸出穩(wěn)壓功能的高電流應(yīng)用方案,此180°反相工作的功能可大幅減少輸入濾波電容。LM5642的振蕩器頻率可在150~250kHz內(nèi)調(diào)節(jié)升壓或降壓,以確??膳c系統(tǒng)同步操作,從而減少開關(guān)頻率所造成的干擾。該器件內(nèi)置的電流模式控制環(huán)路可在輸入電壓Vin為4.5~36V寬范圍變動,每一通道輸出都可調(diào)整范圍從1.3V~90%Vin變動,其轉(zhuǎn)換速度極高,效率更高達(dá)95%,適于為系統(tǒng)提供高電流、低電壓電源的應(yīng)用方案。
LM5642開關(guān)控制器的原理及應(yīng)用設(shè)計
LM5642開關(guān)控制器的原理及應(yīng)用設(shè)計
3基于LM5642的雙路輸出大電流應(yīng)用
圖2為LM5642雙輸出電路原理圖,其輸入為15V,輸出分別為+5V/7A和3.3V/7A,以圖2的通道1為例介紹該設(shè)計設(shè)計中所考慮的關(guān)鍵參數(shù)和外圍器件選型。

3.1門限電流確定
LM5642有兩路電流門限設(shè)置引腳:引腳ILIM1和ILIM2(圖2)。以引腳ILIM1為例,其器件內(nèi)置恒定0.99μA電流,并通過外部連接到Vin輸入電阻R7轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷?,該電壓將和?的電壓比較。R9與輸入相連,是電流的主要通路,電流經(jīng)R9進(jìn)入功率場效應(yīng)管。此處R8選擇較小為100Ω,忽略其分壓。通過比較R7和R9的電壓大小來確定電流是否合適,如果R7兩端電壓大于R9電壓,器件正常工作,反之內(nèi)部過流保護(hù)將關(guān)斷。設(shè)計中通過比較電壓合理設(shè)置R7的參數(shù),而R9選取低阻值,一般為10mΩ。
3.2輸出端電阻選擇
根據(jù)實際輸出電壓要求,由式(1)、(2)計算相關(guān)電阻值,在圖2中兩路輸出電阻分別為R13、R14、R23、R24。

考慮到輸出電壓的準(zhǔn)確度,式(2)用來先確定R14的最大阻值,考慮輸出電壓具有3%的偏差,此處Vfb=1.238V,最大流入反饋引腳FB1的電流為200nA。
3.3輸出電感選擇
電感由輸出紋波電壓確定,由式(3)計算電感值Lmin。
式中,f為器件的開關(guān)頻率200Hz,Vin為輸入電壓,Vo為輸出電壓,Vr為紋波電壓,在電源設(shè)計中擬定為60mV,Rc近似為輸出電容等效阻抗,一般取20mΩ。實際中還要考慮到紋波電流過高,在選取電感值時還要以紋波電流為依據(jù)。
此外還要考慮到輸出電容的等效阻抗對輸出紋波的影響,功率場效應(yīng)管的選擇和其功耗問題。在設(shè)計中,為減小紋波采用高電壓大容量電容。同時兼顧選取低等效阻抗電容。電源設(shè)計中所用關(guān)鍵器件都采用工業(yè)級產(chǎn)品或軍工產(chǎn)品,以保證電源的高效性。
因此功率場效應(yīng)管的等效阻抗完全符合標(biāo)準(zhǔn),二極管選擇轉(zhuǎn)換速度快的肖特基管,以適應(yīng)LM5642開關(guān)頻率200Hz的快速轉(zhuǎn)換速率。
4基于LM5642的多路輸出設(shè)計
開關(guān)電源的控制器種類非常多,主要有電流和電壓兩大類型。電壓控制型只對輸出電壓采樣,作為反饋信號閉環(huán)控制,采用PWM技術(shù)調(diào)節(jié)輸出電壓。從控制理論的角度看,這是一種單環(huán)控制系統(tǒng);電流控制型是在電壓控制型的基礎(chǔ)上,增加一個電流負(fù)反饋環(huán)節(jié),使其成為雙環(huán)控制系統(tǒng),從而提高電源性能。基于LM5642的諸多優(yōu)點,充分利用該器件的單、雙輸出通道特性.與其他DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計出多路輸出電壓為系統(tǒng)供電。電源輸入來自車載蓄電池的電壓28V,可作為光通信系統(tǒng)電源,具體設(shè)計框圖如圖3所示。

電路板設(shè)計依據(jù)圖3要求,器件采用國產(chǎn)的LM5642,LM2596,LM2679。其中用到兩片LM5642,分別為U8和U6,分別輸出15V、+5V/7A和3.3V/7A;兩片LM2679分別為U4和U5,分別輸出+5V/3.5A和VDD。其中VDD為LM5642的VDD引腳供電;3片LM2596分別為U1、U2和U3,分別輸出兩個-5V/1A和+5V/3A。
5PCB布局
PCB板的物理設(shè)計是開關(guān)電源設(shè)計最后一個環(huán)節(jié),如果設(shè)計方法不當(dāng),PCB可能會輻射過多的電磁干擾(EMI)。結(jié)合LM5642的特點,與其他多種器件(如LM2679)設(shè)計多輸出電壓源,PCB采用4層板布線,頂層和底層都放置元件,中間層分別為地層和大電流走線層,其中第2層為走線層,第3層為地層以保證高可靠性。對于+5V/7A和3.3V/7A大電流輸出,布線主要是在第2層完成,線寬為200mil??紤]到電磁干擾。適當(dāng)加寬走線間距,輸入輸出采用鉭電容和陶瓷電容相結(jié)合濾波(板子線寬按照1.5盎司厚度設(shè)計)。
6結(jié)束語
由于電源設(shè)計是為系統(tǒng)提供電源,因此要全面考慮整個系統(tǒng),電源板提供多路輸出到各子板,規(guī)劃布局時使各路輸出都以地線為間隔。由于子板中有數(shù)字地的區(qū)分,為減小干擾.在各子板中同樣采用DC/DC變換轉(zhuǎn)接以降低數(shù)字與模擬信號干擾。考慮到系統(tǒng)性能,可采用輸入與輸出地隔離技術(shù);而考慮到子板間傳遞高速信號,因此在電源板設(shè)計中并沒有采用輸入與輸出隔離地,同樣可使系統(tǒng)穩(wěn)定,因此以統(tǒng)一地作為參考面。

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